Noninvasive Monitoring of Oxygen Saturation with Pulse Oximetry
       Yi Tang,MD & Jian-Xiong An,MD
       Department of Anesthesiology & Pain Medicine,
       Tsinghua University Yuquan Hospital, Beijing, 100039

       ABSTRACT
       Pulse oximetry is widely used in clinical practice， providing quick， sensitive and noninvasive methods to detect arterial oxygen saturation in different situations including intensive care units (ICU) and operating rooms， and decreasing morbidity and mortality substantially in patients. the principles， limitations， and clinical applications of pulse oximetry are reviewed in this article.
       Key words： pulse oximetry；oxygen saturation

       氧是人类生命活动的基础，乏氧将直接影响机体细胞的新陈代谢，严重者可危及生命。许多临床疾病和医疗处理均会减少氧供，引起机体血氧浓度降低，因此对这些疾病患者和进行某些医疗处理时要密切观察其血氧饱和度 [1]。双波长血氧计出现于上世纪四十年代，使无创监测血氧饱和度的部分问题得以解决。但其偏大的体积和繁琐的校正方法使临床应用受到限制[2]。随后出现多波长血氧计和80年代初开始使用的脉搏血氧饱和度仪(Pulse Oximeter， POM)则巧妙地解决了这一问题。这些仪器主要是根据氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin， O2Hb)和还原血红蛋白(Reduced Hemoglobin， RHb)具有不同的吸收光谱设计而成的。该设备小巧，使用方便且可进行连续无创监测，可及时发现各种原因引起的低氧血症，同时可间接反映循环功能[2][3]。上个世纪90年代前在手术室和ICU得到广泛使用，极大地提高了麻醉及危重病人的安全性。最新的脉搏式血氧计的测量误差已经可以控制在1％以内，可完全满足临床要求。近年来本方法已成为手术室、恢复室(Recovery Room， RR)、麻醉后恢复室(Post-Anesthesia Care Unit， PACU)、ICU、门诊内窥镜室及介入治疗期间一种标准监测手段[4]。据统计，单独应用脉搏血氧饱和度仪即可减少40%的麻醉意外，如果与呼吸末CO2监测仪并用，则可减少91%的麻醉意外[3]。另外，血氧饱和度还是睡眠研究的一个重要参数，一些睡眠分析研究中心视动态血氧分析技术为睡眠呼吸暂停综合征(SAS)初筛诊断的重要方法[5]。脉搏血氧饱和度仪的临床意义已得到广泛认同。
       随着无创血氧饱和度的广泛应用与电子技术的飞速发展，现代血氧饱和度仪得以很大的改进，其测量的精度与准确度也有极大提高。早期的一些副作用与伪差均得到有效控制或消除。
       1．血氧饱和度仪的原理和分类

       1．1 血氧饱和度仪的原理
       血氧饱和度（SO2）是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中氧的浓度。氧合血红蛋白(HbO2)与还原血红蛋白对红光与红外光的光吸收不同，并且在这两个波长下光吸收作用均有一个脉搏波部分。据Lambert-Beer定律，通过测定一定波长的入射光强度和透射光强度，就可以计算出已知溶质在一定溶液里的浓度[2][6]。根据这一比色原理，血氧饱和度仪利用不同组织对不同波长的吸收差异作为工作基础。氧合血红蛋白(HbO2)与还原血红蛋白吸收红外光（940nm）和红光（660nm）有较大差异，而且其他组织的光吸收几可忽略不计（图1-1）。

       1.2 血氧饱和度的正常参考范围
       成人脉搏氧饱和度（SpO2）≥95%.在90%-94%属于血氧亚饱和状态，而小于90%则属于低氧血症（FiO2=0.21）.新生儿第一天SpO2最低达91%，2-7天为92%-94%[7][8]。
       1.3 血氧饱和度的检测分类 
     

       1.3.1 按测量方法通常分为电化学法和光学法两类。电化学法血氧饱和度测量是传统的方法。要先行动脉血采集，利用血气分析仪进行电化学分析而测得动脉氧分压(PaO2)，计算出动脉血氧饱和度(SaO2)。这种方法需要动脉穿刺或动脉插管，属创伤性血氧测定方法，相对比较麻烦且增加病人的痛苦，不合适连续监测，危急情况下病人不能得以及时适当的诊治。光学法则是一种连续无损伤血氧测量方法，常用于急救病房、手术室、恢复室和睡眠研究。脉搏血氧测定法(Pulse Oximetry)操作简单方便，已被普遍使用。但其测量精度较电化学法低，特别是在血氧值较低等情况下产生的误差较大。必要时还需血气分析。
       1.3.2 按血氧传感器接收光线方式可分为透射式和反射式血氧饱和度仪[7][9][10][11]。血氧传感器的原理构成是相同的，均由发光器和接收器组成。发光器是由波长为660nm的红光和波长为940nm的红外光发射管组成。光敏接收器大都采用接收面积大、灵敏度高、暗电流小、噪声低的PIN型光敏二极管，它将接收到的入射光信号转换成电信号。透射式和反射式血氧饱和度仪的不同之处在于光敏接收器相对放置位置。最新开发的脉搏血氧计大多为透射式探头。一侧固定了两个并列放置的发光二极管，发光波长分别为660nm红光和940nm红外光。另外一侧则是一个光敏接收器，它将透射过组织的红光和红外光转换成电信号。血氧仪工作时，分时驱动电路让两个发光二极管按一定的时间间隔并以较低的占空比分别发光，据二极管发光强度与光电管接收到的透射光的强弱比值可分别计算出全血吸收率AC660和AC940，然后结合实验标定的系数，代入前述公式中，便可计算出血氧饱和度数值[2,4]。
       1.3.3 按使用光波频率分为双波长和多波长血氧仪。早期开发的多为双波长血氧仪。随后开发出特殊用途的多波长血氧仪以监测多个其它血液成份信号[2,12]。
       1.3.4 按血氧传感器探头放置位置分为指套式、耳垂式、包裹式和粘附式等。最新开发的脉搏血氧饱和度仪大多是指套式传感器探头，直接套在指尖上使用即可[13]。
       2. 脉搏血氧仪的临床应用
       正确操作血氧仪是得到正确结果的重要保证。透射式脉搏血氧计多以肢端（手指、脚趾等）、耳垂等作为检测部位[2][4][8][13][21]，因为这些部位光线比较容易通过。而对于采用指套式传感探头的脉搏血氧计，放置时应注意手指特别是指甲部位的清洁程度，脏物过多，会阻碍光线透过，造成相应测量值伪差。指甲要正对上壁的发光管，指套四周应密闭严实以排除周围环境光线干扰。待测量数据稳定后就可以读出血氧饱和度了。现在的血氧仪一般还可以读出脉率值和脉搏波形并可结合临床判断干扰情况。

       脉搏血氧仪可用来监测组织氧合功能，因为脉搏血氧饱和度(Pulse Oxygen Saturation， SpO2)和动脉血氧饱和度(Arterial Oxygen Saturation， SaO2)有显著相关性(相关系数为0.90-0.98)，因此，监测SpO2可以反映血氧合程度及评价使用环境下的组织氧合状态，可广泛用于手术室、RR、PACU和ICU病人的监测，

体动或低血流灌注情况下，SpO2监测会出现一定的读数错误、读数缺失、仪器误报警或漏报警等现象，面对“噪声淹没”问题，传统的氧饱和度监测仪只能采取延长平均时间的方法或采用逻辑矩阵，在遇到患者体动或低灌注时就停止采样(“冻结”)，报告旧值或报告为零。这样，SpO2值不准确且错误报警的发生率亦增高，同时，静脉血是一种很强的光吸收剂，在患者活动时，静脉血对总的光强度有明显的影响。而且静脉血的氧饱和度通常低于动脉血的氧饱和度，这也是传统氧饱和度监测仪在患者活动时读数偏低的原因。心律失常可干扰脉搏信号的捕捉，导致脉率的计算错误，结果也会受到影响。另外，有些血液染料如美兰，还有血中胆红素增高，都可减少测量的精确性。同样，钠石灰产生的一氧化碳吸入导致的氧合血红蛋白减少，碳氧血红蛋白增多也会改变实际的SpO2数值。

       脉搏血氧仪是一种无创伤、连续监测人体动脉血氧饱和度的新型医学仪器。国外于80年代中期大规模投入临床使用。90年代初国内引进该仪器，现已广泛应用于临床。目前国内外生产和临床使用的脉搏血氧仪大部分是双光束透射式血氧仪。透射过组织的两束光的吸收比值R/IR是动脉血氧饱和度的函数。按照Lambert-Beer定律，该函数为线性关系。但由于充血的生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学组织，不完全符合经典的Lambert-Beer定律，故很难建立一个准确的理论模型来给出R/IR与血氧饱和度的函数关系式。近年来，随着电子技术、微处理机技术和材料科学的发展，出现了利用特殊材料的电光效应制作的光调制器，可以用电压来控制材料的光学特性。这些材料的性能逐步趋于完善多样，这就为开发更为新型、简便和实用的脉搏血氧仪和血氧组织模型，提供了新的选择。国内也有一些厂家和科研单位相继推出组装或自行开发的脉搏血氧仪和血氧监护模块。但作为一项尚在发展中的新技术，脉搏血氧仪在生产和应用中还存在上面一些需要完善和解决的问题。

 
       参考文献
       1. Bowes WA 3rd， Corke BC， Hulka J. Pulse oximetry： a review of the theory， accuracy， and clinical applications. Obstet Gynecol. 1989; 74(3 Pt 2)：541-546.
       2. Lesley Gaskin. Jackie Thomas. Pulse Oximetry and Exercise. Physiotherapy. 1995; 81(5)：254-261.
       3. Moller JT， Johannessen NW， Espersen K， Ravlo O， Pedersen BD， Jensen PF， Rasmussen NH， Rasmussen LS， Pedersen T， Cooper JB， et al. Randomized evaluation of pulse oximetry in 20，802 patients： II. Perioperative events and postoperative complications. Anesthesiology. 1993; 78(3)：445-453.